圖書館座位管理系統(tǒng)優(yōu)化研究

梁民, 王建

(中國人民大學(xué), 實(shí)驗(yàn)室管理與教學(xué)條件保障處， 北京 100872)

0 引言

中國人民大學(xué)圖書館自習(xí)區(qū)共2461個(gè)自習(xí)座位，各類在校生共計(jì)3萬多。由于自習(xí)區(qū)座位數(shù)量有限，在校學(xué)生數(shù)多，經(jīng)常會出現(xiàn)學(xué)生不排隊(duì)無序搶座的現(xiàn)象。同時(shí)，存在使用水杯、書包或者圖書等占座但又不使用的問題。為了解決以上問題，中國人民大學(xué)圖書館購置了座位管理系統(tǒng)并投入使用，提前預(yù)約座位的方式。較好地解決了無序搶座和占座不用等問題。

系統(tǒng)投入使用后，運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)預(yù)約者選座成功后，有不到或者遲到早退現(xiàn)象，如果他們不主動(dòng)地在管理系統(tǒng)釋放座位，即使為空座，其他用戶在座位管理系統(tǒng)中也無法選擇此座位，由此帶來了資源浪費(fèi)。根據(jù)中國人民大學(xué)圖書館相關(guān)部門調(diào)研和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，約90%左右讀者預(yù)約時(shí)間未到提前離開，不會主動(dòng)在系統(tǒng)里釋放座位，造成大量空座但又在系統(tǒng)無法被選，此現(xiàn)象在中午十一點(diǎn)到十二點(diǎn)之間以及下午四點(diǎn)到五點(diǎn)之間尤其普遍。

上述現(xiàn)象，在使用了座位管理系統(tǒng)的高校圖書館，具有普遍現(xiàn)性。為了解決此問題，使用了座位管理系統(tǒng)的各高校圖書館，如文獻(xiàn)[1]所述，采用了不同的管理制度和懲罰措施，約束預(yù)約者遲到或者提前離開時(shí)主動(dòng)釋放座位，一定程度上降低了座位空置率。中國人民大學(xué)圖書館通過加強(qiáng)宣傳力度和增加運(yùn)維人員巡檢頻次，通過及時(shí)釋放座位來解決此問題。

靠管理制度和增加運(yùn)維人員來解決上述問題，增加了運(yùn)維成本，同時(shí),某些時(shí)候也不可避免會造成了管理人員和座位預(yù)約者之間的矛盾?！肮び破涫?，必先利其器”，要提高管理效率、減少運(yùn)維成本，同時(shí)也減少工作人員與學(xué)生之間的矛盾，就需要開發(fā)更符合實(shí)際工作需求的、經(jīng)濟(jì)可行的軟硬件系統(tǒng)，提供更為智能的管理方式，建設(shè)高效、智能、自動(dòng)化的管理體系。

基于以上情況，文章在原座位管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了深入研究，對系統(tǒng)進(jìn)行了如下優(yōu)化。

(1) 設(shè)計(jì)了一套硬件系統(tǒng)，能夠采集座位有人/無人信息，并能把采集到的信息傳遞給軟件系統(tǒng)。

(2) 同時(shí)，對軟件系統(tǒng)進(jìn)行了二次開發(fā)，對遲到或者早退的座位預(yù)約者，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送短信，提醒用戶在系統(tǒng)中釋放座位操作；預(yù)約了座位而一定時(shí)間內(nèi)無人的座位，后臺自動(dòng)釋放此座位。

通過以上優(yōu)化研究方案，較好地解決了座位管理系統(tǒng)存在的遲到早退不在系統(tǒng)主動(dòng)釋放座位，而使座位資源浪費(fèi)這一問題。

1 系統(tǒng)優(yōu)化方案

圖書館座位管理系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)如下。

(1) 設(shè)計(jì)一套硬件系統(tǒng)，對已預(yù)約的座位，通過探測座位區(qū)域的溫度(有人時(shí)，探測到的溫度為37±2 ℃，無人時(shí)，探測到的溫度<30 ℃)，判斷座位上是否有人，從而達(dá)到采集座位狀態(tài)(有人/無人)信息的目的，并把座位狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器端。

硬件系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、控制模塊以及基站設(shè)備[2]。其中傳感器模塊主要功能為對座位狀態(tài)(有人/無人)進(jìn)行監(jiān)測，然后傳送給控制單片機(jī)；控制模塊功能為接收各傳感器采集的座位狀態(tài)(有人/無人)信息，并將其傳送至基站；基站設(shè)備功能為對數(shù)據(jù)打包進(jìn)行處理后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，即軟件系統(tǒng)。

(2) 對座位管理系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，包括2部分，其一是開發(fā)短信提醒功能,提醒遲到早退者及時(shí)在座位管理系統(tǒng)進(jìn)行操作或者釋放座位；其二是對硬件系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把座位狀態(tài)為“已預(yù)約”而一定時(shí)長內(nèi)無人的座位，在系統(tǒng)后臺自動(dòng)釋放，使其狀態(tài)改變?yōu)椤翱臻e”或者“可預(yù)約”狀態(tài)。

系統(tǒng)優(yōu)化方案總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)研究

根據(jù)實(shí)際需要，本硬件系統(tǒng)主要功能是采集座位狀態(tài)(有人/無人)，并把信息傳輸?shù)阶还芾硐到y(tǒng)。除滿足基本需求外，還應(yīng)該盡量保證方便安裝和布線，造價(jià)低廉，具有實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本硬件設(shè)計(jì)方案主要功能是采集座位狀態(tài)(有人/無人)，只涉及到單片機(jī)、外圍電路及傳感器電路等，基站設(shè)備選用北京普諾興科技有限公司的成熟的市場量產(chǎn)產(chǎn)品PS-DCA900-P1型邊緣計(jì)算盒子。此設(shè)備支持BLE藍(lán)牙連接, 并支持WIFI/ETH/4G 3種方式將數(shù)據(jù)傳輸云端。

(1) 單片機(jī)最小電路

系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體STM32L051K8U6芯片作為控制單元。此低功耗單片機(jī)在standby模式下電流大小為0.27 μA，芯片數(shù)據(jù)總線寬度為32位，最大主頻32 MHz，芯片ROM大小為64 kB，RAM大小為8 kB， 有27個(gè)I/O口。工作電源電壓范圍從1.8 V至3.6 V，工作溫度范圍為-40 ℃至85 ℃。單片機(jī)最小系統(tǒng)部分包含電源、外部晶振和SWD調(diào)試下載接口等。此系統(tǒng)中，電源部分采用CR2032紐扣電池。圖2為單片機(jī)最小電路[3]電路圖。

圖2 單片機(jī)最小電路圖

(2) 溫濕度傳感器部分

系統(tǒng)采用Sensirion SHT3x溫濕度傳感器來采集座位附近環(huán)境溫度。SHT3X是瑞士SENSIRION公司的一種新型溫濕度傳感器，體積小、精讀高、采樣快，溫度測量精度可達(dá)±0.1 ℃，使用數(shù)字I2C通信接口。

SHT3x傳感器將采集到的環(huán)境值經(jīng)內(nèi)部ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到原始的溫濕度量。這個(gè)數(shù)字值經(jīng)過Calibration Memory工廠校準(zhǔn)、Data processing &Linearization線性化模塊進(jìn)行補(bǔ)償，減小誤差后，通過I2C接口(包含SCL和SDA引腳)輸出給STM32控制芯片。

SHT3x溫濕度傳感器的引腳1(SDA) 和引腳4(SDA)作為I2C總線外接STM32L051K8U6芯片引腳的PB6和PB7，SHT3x溫濕度傳感器的引腳6(nRESET復(fù)位)接STM32L051K8U6芯片引腳的PB5，SHT3x溫濕度傳感器的引腳3(中斷輸出)接STM32L051K8U6芯片引腳的PB4。

式(1)是溫度計(jì)算方法,其中，ST是實(shí)際測量值,-45和175是傳感器廠家根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度和實(shí)際測量值對應(yīng)的曲線關(guān)系,得出的一個(gè)基本常量,經(jīng)式(1)轉(zhuǎn)換后，可以得到真實(shí)的溫度(單位是℃)。

T=-45+175×ST/(216-1)

(1)

傳感器部分電路圖如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器設(shè)計(jì)電路圖

(3) 低功耗2.4 GHz無線收發(fā)芯片部分

無線收發(fā)模塊采用南京中科微SI24R1芯片，此2.4 GHz無線收發(fā)芯片(關(guān)斷模式下≤0.7 μA電流，通信距離≤350 m)工作在2.4 GHz ISM頻段，專為低功耗無線場合設(shè)計(jì)，集成嵌入式ARQ基帶協(xié)議引擎的無線收發(fā)器芯片。SI24R1芯片工作頻率范圍為2400-2525 MHz，共有126個(gè)1 MHz帶寬的信道，使用SPI通信。接口電路如圖4所示。

圖4 低功耗2.4 GHz無線收發(fā)芯片電路圖

SI24R1無線收發(fā)模塊的模塊控制引腳3接STM32L051K8U6芯片的引腳PB0，SI24R1無線收發(fā)模塊的模塊片選引腳4接STM32L051K8U6芯片的引腳PA4，SI24R1無線收發(fā)模塊的模塊SPI總線時(shí)鐘引腳5接STM32L051K8U6芯片的引腳PA5，SI24R1無線收發(fā)模塊的模塊SPI數(shù)據(jù)輸入引腳6和模塊SPI數(shù)據(jù)輸出引腳7分別接STM32L051K8U6芯片的引腳PA7和PA6， SI24R1無線收發(fā)模塊的IRQ引腳5接STM32L051K8U6芯片的引腳PB1。

(4) 按鍵和指示燈部分

為方便交互，系統(tǒng)采側(cè)按按鍵。為指示明顯，系統(tǒng)采用綠色LED指示燈。此部分電路如圖5所示。

圖5 按鍵和指示燈部分電路圖

(5) 電源檢測系統(tǒng)部分

由于尺寸、功耗因素，使用STM32L051K8U6芯片的內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采集DET與LOW的數(shù)值，12位AD數(shù)值范圍為0至4095。電路方面，串聯(lián)2個(gè)100 K的電阻，其BAT_DET引腳接STM32L051K8U6的PA0引腳，BAT_LOW引腳接STM32L051K8U62的PA1引腳。通過以下算式計(jì)算當(dāng)前的電壓：

BAT_DET電壓=3.3/4096×AIN0通道采集的數(shù)值。

BAT_LOW電壓=3.3/4096×AIN1通道采集的數(shù)值。

電池電壓=BAT_DET+((BAT_DET-BAT_LOW)/100 000) × 100 000

圖6為此部分電路圖。

圖6 電源檢測電路圖

2.2 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)流程如圖7所示。首先是系統(tǒng)上電，對STM32的初始化，該初始化有STM32芯片的時(shí)鐘初始化、中斷初始化、串口初始化以及LED、按鍵初始化等。接著對2.4 GHz無線收發(fā)芯片進(jìn)行初始化，包括對SPI初始化和模塊的初始化。然后對SHT3x溫濕度傳感器進(jìn)行初始化，包含I2C總線初始化及傳感器初始化。最后對外圍設(shè)備進(jìn)行初始化。初始化是通過調(diào)用不同的子函數(shù)方式實(shí)現(xiàn)[4]。初始化完成后，系統(tǒng)會循環(huán)執(zhí)行以下過程，單片機(jī)首先讀取并計(jì)算溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行協(xié)議格式填充、溫濕度數(shù)據(jù)填充、CRC校驗(yàn)值計(jì)算填充、數(shù)據(jù)封包處理，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送給基站設(shè)備。最后進(jìn)入系統(tǒng)休眠。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

3 座位管理系統(tǒng)二次開發(fā)

根據(jù)需求分析，座位管理系統(tǒng)二次開發(fā)主要完成2個(gè)功能。一是短信提醒功能：短信提醒遲到者，規(guī)定時(shí)間內(nèi)到館簽到，否則座位會被釋放；短信提醒早退者，及時(shí)返回或者主動(dòng)在系統(tǒng)釋放座位，否則規(guī)定時(shí)間后座位會被自動(dòng)釋放。第二個(gè)新增功能是對于遲到或者早退者，如果一定時(shí)間沒有返回，座位管理系統(tǒng)在后臺自動(dòng)釋放座位。

為實(shí)現(xiàn)以上功能需求，需要對原數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以及對業(yè)務(wù)進(jìn)行邏輯分析，增加部分代碼實(shí)現(xiàn)。

3.1 數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)

和座位相關(guān)的表有座位基礎(chǔ)信息表Seats_Inf，存儲每個(gè)座位的座位號、所屬樓宇、樓層等相關(guān)信息，還有座位預(yù)約登記表Seats_Reserve，存儲了被預(yù)約的座位一些信息，座位預(yù)約登記表Seats_Reserve結(jié)構(gòu)[5]如表1所示。

表1 座位基礎(chǔ)信息表Seats_Inf

為實(shí)現(xiàn)新功能，需要新設(shè)計(jì)一表，把每次硬件系統(tǒng)探測到的座位為“已預(yù)約”且座位無人的座位的當(dāng)前時(shí)間，存放進(jìn)來。新設(shè)計(jì)的表Seats_Status主要字段如表2所示。

另外，還需要在預(yù)約者信息表中增加一個(gè)預(yù)約者手機(jī)號碼字段，以便于發(fā)送短信提醒信息。

表2 座位狀態(tài)表Seats_Nowtime

3.2 新增功能研究

為便于描述，做如下2個(gè)量化規(guī)定。

硬件系統(tǒng)每間隔N1分鐘采集一次座位狀態(tài)信息，傳遞給軟件系統(tǒng)；已預(yù)約座位如果連續(xù)N2分鐘狀態(tài)為“無人” ，則發(fā)送提醒短信;已預(yù)約座位如果連續(xù)N3分鐘狀態(tài)為“無人” ，則在系統(tǒng)后臺釋放此座位，使其狀態(tài)改變?yōu)椤翱深A(yù)約”，其中N1

(1) 功能設(shè)計(jì)

更改座位狀態(tài)的邏輯過程如下：對硬件系統(tǒng)傳輸過來的座位狀態(tài)數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)先拆分?jǐn)?shù)據(jù)包，得到座位編號和座位狀態(tài)信息，首先判斷座位狀態(tài)是有人還是無人,接著判斷是“已預(yù)約”還是“可預(yù)約”，如果是可預(yù)約，則不做任何處理，如果是“已預(yù)約且無人”，則把此當(dāng)時(shí)時(shí)間和座位狀態(tài)(有人/無人)信息寫入數(shù)據(jù)庫Seats_Status中，接著判斷連續(xù)無人時(shí)間是否{N1-1，N1+1}分鐘范圍內(nèi)，如果是，則發(fā)送短信提醒，連續(xù)無人時(shí)間大于N2分鐘，就在后臺釋放此座位，使其狀態(tài)變?yōu)椤翱深A(yù)約”。

更改座位狀態(tài)流程圖[6]如圖8所示。

圖8 更改座位狀態(tài)流程圖

(2) 功能實(shí)現(xiàn)

發(fā)送短信提醒功能可以使用中國移動(dòng)、中國電信或者中國聯(lián)通的企業(yè)短信平臺，其可以實(shí)現(xiàn)與客戶指定號碼進(jìn)行短信批量發(fā)送和自定義發(fā)送業(yè)務(wù)，能夠滿足系統(tǒng)的需求。使用企業(yè)短信平臺，用戶可以根據(jù)需求自主撰寫相關(guān)的文字內(nèi)容，操作簡便，修改方便。同時(shí)，統(tǒng)一的發(fā)送也確保了告知信息的精確度。這種方式不需要任何的硬件支持，只須向運(yùn)營商申請網(wǎng)關(guān)和進(jìn)行簡單的API配置，設(shè)置好短信發(fā)送觸發(fā)規(guī)則，即可實(shí)現(xiàn)短信自動(dòng)發(fā)送。

在本系統(tǒng)，座位已預(yù)約&&座位狀態(tài)為無人&&連續(xù)無人時(shí)間在(N2-1，N2+1)分鐘內(nèi)為觸發(fā)短信發(fā)送的條件。其中座位是否已預(yù)約可根據(jù)座位ID查詢獲得結(jié)果，座位有人/無人狀態(tài)可根據(jù)硬件系統(tǒng)傳輸過來的數(shù)據(jù)獲取。判斷某個(gè)座位連續(xù)無人時(shí)間在(N2-1，N2+1)分鐘內(nèi)的方法可以使用表Seats_Nowtime里面的某個(gè)座位的當(dāng)前記錄時(shí)間減去前N2/N1條記錄的時(shí)間值(單位為分鐘)，如果差值在N2±1范圍內(nèi)，說明該座位為連續(xù)無人。

更改座位狀態(tài)，使其從“已預(yù)約”更改為“可預(yù)約”，可通過數(shù)據(jù)庫的Update()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，只需一個(gè)查詢語句，即可把符合條件的座位狀態(tài)進(jìn)行批量更改。

4 系統(tǒng)測試

對該系統(tǒng)硬件做出了實(shí)物并進(jìn)行了功能測試。測試方法及結(jié)果如下：

1) 斷開STM32L051K8U6的引腳2和3，使晶振模塊工作不正常，LED燈閃爍；

2) 斷開SHT3x溫濕度傳感器的引腳1和和引腳4，使溫濕度傳感器模塊工作不正常，LED燈閃爍；

同時(shí)，在基站設(shè)備PS-DCA900-P1型邊緣計(jì)算盒子上了設(shè)置,當(dāng)收到STM32L051K8U6單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，基站數(shù)據(jù)燈閃爍。實(shí)際測試，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)物動(dòng)、靜狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，PS-DCA900-P1型邊緣計(jì)算盒子數(shù)據(jù)燈會閃爍，證明監(jiān)測到了狀態(tài)變化，并傳送到了基站。

5 總結(jié)

針對現(xiàn)在圖書館座位預(yù)約管理系統(tǒng)使用中普遍存在的預(yù)約座位后不去或者遲到早退而使座位空置，浪費(fèi)座位資源這一問題，進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)和對軟件系統(tǒng)二次開發(fā)，很好地解決了問題。系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，能夠提高圖書館信息化管理水平，有效減少管理者和學(xué)生之間矛盾，有較高的社會效益，具備較好的推廣價(jià)值。